Введение

Современное авиастроение уже немыслимо без использования полимерных композиционных материалов (ПКМ). Различные виды ПКМ применяются в самых разных конструкциях и системах летательных аппаратов, обеспечивая не только существенное уменьшение массы планера, но и повышение ресурса его узлов и систем, снижение затрат на производство и эксплуатацию самолетов. В конструкциях некоторых современных летательных аппаратов объем использования ПКМ достигает >50 %.

Одной из основных систем жизнеобеспечения воздушного судна является система кондиционирования воздуха (СКВ). Она предназначена для поддержания давления и температуры воздуха в гермокабине летательного аппарата на уровне, необходимом для нормальной жизнедеятельности экипажа и пассажиров. Рабочее давление в воздуховодах СКВ не превышает значения 10 кПа [1]. В последнее время как за рубежом, так в России особенно активно разрабатываются новые ПКМ, пригодные для изготовления гибких воздуховодов в составе СКВ воздушных судов [2‒4].

Тканепленочные материалы (ТПМ) ‒ один из видов ПКМ, в которых полимерная матрица армирована текстильным (тканым) материалом. Такие материалы обладают аддитивными свойствами структурообразующей армирующей основы и эластичного полимерного покрытия. Тканепленочные композиционные материалы отличает высокая прочность при растяжении, хорошая изгибаемость и герметичность, что обуславливает постоянный научно-практический интерес к разработке подобных материалов [5‒7].

Согласно научно-техническим литературным данным, композиционный материал для изготовления гибких воздуховодов СКВ летательных аппаратов должен иметь следующие характеристики [8]:

– массу 1 м² ‒ не более 300 г;

– разрывную нагрузку полоски размером 50×200 мм по основе ‒ не менее 500 Н, по утку ‒ не менее 400 Н;

– пожаробезопасность в соответствии с требованиями авиационных правил по пожаробезопасности АП-25 [9,10];

– сохранение герметичности при давлении не менее 0,01 МПа;

– возможность эксплуатации в диапазоне температур от ‒60 до +80 °C;

– влагостойкость [11];

– высокий эксплуатационный ресурс (сохраняемость свойств под воздействием эксплуатационных и климатических факторов).

Авиационная техника должна быть максимально безопасна при эксплуатации. Поэтому к материалам, используемым в конструкциях и системах летательных аппаратов, предъявляются жесткие требования по пожаробезопасности и сохраняемости их свойств в эксплуатационный период. Полимерная составляющая композиционных материалов может быть особенно подвержена влиянию различных эксплуатационных и климатических факторов ‒ например таких, как тепловое старение, циклический перепад температур, повышенная влажность, микологическое воздействие, воздействие агрессивных сред и т. д. Такие воздействия могут существенно изменять первоначальные характеристики композиционного материала, поэтому особое внимание уделяется исследованиям изменения свойств материалов после воздействия различных эксплуатационных факторов [12‒16]. Учет влияния климатических факторов на характеристики материалов отражен в Авиационных правилах [17]. Вид и режим климатического воздействия (или его имитации), а также исследуемые показатели свойств (характеристики) после климатического старения определяют в зависимости от области применения материала.

Согласно ГОСТ Р 70165‒2022 «Воздуховоды низкого давления системы кондиционирования воздушных судов. Методы ресурсных испытаний», к материалам, используемым при изготовлении воздуховодов, предъявляется ряд требований, которые регламентируют необходимую устойчивость материала к воздействию различных эксплуатационных факторов внешней среды ‒ прежде всего таких, как повышенная и пониженная температуры, влажность, агрессивные среды, плесневые грибы.

Разработка новых тканепленочных материалов входит в «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» в рамках реализации комплексной научной проблемы 17.6. «Тканепленочные материалы» [18].

Материалы и методы

Цель данной работы ‒ определение влияния эксплуатационных и климатических факторов на свойства разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ тканепленочного материала марки ВРТ-12, предназначенного для изготовления герметичной оболочки гибких воздуховодов СКВ летательных аппаратов.

Разработанный ТПМ марки ВРТ-12 на основе отечественной электроизоляционной стеклоткани Э1-100 (ГОСТ 19907‒2015) с двухсторонним наполненным фторполимерным покрытием белого цвета гладкой фактуры изготовлен по технологии прямого послойного нанесения раствора полимерной композиции на текстильную основу при помощи ракельного ножа (шпредингование).

Для проведения исследований на промышленном оборудовании изготовлены три партии ТПМ марки ВРТ-12 по ТУ 1-595-9-1792‒2019. Внешний вид полученного материала представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид тканепленочного материала марки ВРТ-12

У изготовленных партий ТПМ марки ВРТ-12 определены следующие характеристики:

– масса 1 м² ‒ по ГОСТ 17073‒71;

– разрывная нагрузка и удлинение при разрыве по основе/утку при температурах ‒60, 20, 80 и 105 °C ‒ по ГОСТ 17316‒71;

– сопротивление раздиранию по основе/утку при 20 °C ‒ по ГОСТ 17074‒71;

– степень герметичности ‒ по СТО 1-595-20-581‒2018;

– морозостойкость в статических условиях при ‒60 °C ‒ по ГОСТ 5162‒49 (метод 1).

Исследованы также пожаробезопасные свойства:

– горючесть, дымообразование и тепловыделение ‒ по АП-25;

– концентрация токсичных газов ‒ по ММ 1.595-20-441‒2012.

Проведены испытания материала в условиях, имитирующих влияние эксплуатационных факторов: тепловое старение; циклический перепад температур; воздействие агрессивных сред, повышенной влажности и микологической среды.

– Тепловое старение проводили по СТП 1-595-11-101‒83 двумя способами: при температуре 80 °C в течение 1000 ч; при температуре 105 °C в течение 500 ч.

– Циклический перепад температур осуществляли по ГОСТ 30630.2.1‒2013 и ГОСТ 9.707‒81 в диапазоне температур от ‒60 до +80 °C (8 циклов) с режимом цикла: выдержка при 80 °C в течение 1 ч; выдержка при 20 °C в течение 15 мин; выдержка при –60 °C в течение  1 ч; выдержка при 20 °C в течение 15 мин.

– Экспозицию в тропической камере проводили в течение 1 и 3 мес по СТП 1-595-20-100‒2002. Суточный тропический цикл: при температуре 50±5 °C и влажности 98±2 % в течение 8 ч; при температуре 20±5 °C и влажности 98±2 % в течение 12 ч; при температуре 50±5 °C и влажности 50±10 % в течение 4 ч.

– Микологическое воздействие (воздействие плесневых грибов) проводили в течение 3 мес по ГОСТ 9.049‒91;

– Воздействие агрессивных сред осуществляли обливом топлива ТС-1 и масла ИПМ-10 в течение 7 сут по ГОСТ 12020‒2018. Экспозиция в камере солевого (морского) тумана (КСТ) проведена по ГОСТ 9.719‒94 при температуре 35 °C в течение 7 сут.

После воздействия эксплуатационных факторов определены следующие характеристики материала марки ВРТ-12:

– разрывная нагрузка и удлинение при разрыве ‒ по ГОСТ 17316‒71;

– сопротивление раздиранию ‒ по ГОСТ 17074‒71;

– сохранение герметичности ‒ по СТО 1-595-20-581‒2018.

Температура испытания образцов после всех воздействий составляла 20 °C.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

В рамках общей квалификации проведены исследования пожаробезопасных свойств ТПМ марки ВРТ-12. Полученные данные приведены в табл. 1.

Установлено, что по горючести ТПМ марки ВРТ-12 отвечает требованиям АП-25, Приложение F, Часть 1; по дымообразованию соответствует требованиям АП-25, Приложение F, Часть V, п. 853(d); по тепловыделению соответствует требованиям АП-25, Приложение F, Часть IV, п. 853(d). При его горении токсичные газы выделяются в концентрациях в несколько десятков раз меньше, чем допустимо по стандарту AITM 3.0005 для самолетов Airbus. Таким образом, материал марки ВРТ-12 испытан по АП-25 и является пожаробезопасным, трудносгорающим, среднедымящим материалом, практически не выделяющим при горении токсичные газы.

Проведены исследования прочностных свойств ТПМ при непосредственном воздействии в течение 15 мин повышенных и пониженной температур: ‒60, 20, 80 и 105°C. Средние значения полученных свойств приведены в табл. 2.

Таблица 1

Пожаробезопасные свойства тканепленочного материаламарки ВРТ-12

Таблица 2

Зависимость механических свойств тканепленочного материала

марки ВРТ-12 от температуры

Результаты испытаний прочностных свойств ТПМ марки ВРТ-12 при непосредственном воздействии температур подтверждают возможность эксплуатации данного материала в интервале температур от ‒60 до +80 °C без существенной потери прочностных характеристик, при температуре 105 °С сохранение разрывной нагрузки по основе/утку составляет соответственно 61 и 95 %. Благодаря армирующему каркасу из стеклоткани изменение температуры практически не влияет на относительное удлинение разработанного ТПМ.

Материал марки ВРТ-12 морозостоек. Установлено, что при температуре –60 °C при сдавливании образца сложенного петлей на полимерном покрытии не образуется трещин.

Для подтверждения стабильности характеристик материала ВРТ-12 при эксплуатации проведена экспозиция образцов ТПМ в условиях, имитирующих тепловое старение, циклический перепад температур, воздействие агрессивных сред, повышенной влажности и микологической среды (грибостойкость).

Средние значения полученных показателей по результатам исследования физико-механических свойств и степени герметичности образцов ТПМ марки ВРТ-12 после воздействия эксплуатационных факторов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние эксплуатационных факторов на свойства

тканепленочного материала марки ВРТ-12

Одним из основных требований, предъявляемых к материалам для изготовления оболочки воздуховодов СКВ летательных аппаратов, является их высокая герметичность, сохраняющаяся при эксплуатации. Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о высокой сохраняемости степени герметичности разработанного материала ВРТ-12. После испытаний, имитирующих тепловое старение при 80 °C в течение 1000 ч, а также 3 мес в тропической камере и после 8 циклов перепада температур от –60 до +80 °C, герметичность материала снизилась всего на 1 % ‒ с 99 до 98 %. В то же время воздействие на материал повышенной (98 %) влажности, микологической среды и топлива ТС-1 не оказали зафиксированного изменения в степени герметичности разработанного ТПМ.

Анализ результатов испытаний ТПМ марки ВРТ-12 показал, что прочностные характеристики разработанного материала до и после теплового воздействия при температуре 80 °C изменились менее чем на 15 %. Это свидетельствует о высокой термостабильности разработанного ТПМ и подтверждает возможность его эксплуатации при указанной температуре. Высокие тепло- и морозостойкость разработанного ТПМ подтверждаются проведенными испытаниями на циклический перепад температур ‒ от –60 до +80 °C. После 8 циклов прочность ТПМ марки ВРТ-12 снизилась на 7 %.

Рис. 2. Разрывная нагрузка при растяжении по основе(а) и утку(б) материала ВРТ-12 до
и после воздействия эксплуатационных факторов

По результатам микологического воздействия (плесневых грибов в течение 3 мес) установлено, что ТПМ марки ВРТ-12 грибостоек ‒ степень развития плесневых грибов 1 балл. Воздействие не оказало значимого влияния на разрывную нагрузку разработанного материала. Прочность материала ВРТ-12 после микологического воздействия снизилась менее чем на 15 %.

Материал ВРТ-12 является масло- и бензостойким ‒ воздействие топлива и масла в течение 7 сут не оказало влияния на прочностные характеристики испытанных образцов (зафиксировано уменьшение не более чем на 3,5 %).

На рис. 2 приведены диаграммы, иллюстрирующие изменение разрывной нагрузки ТПМ марки ВРТ-12 в исходном состоянии и после воздействия различных эксплуатационных факторов, а также при повышенных и пониженной температурах.

Видно, что снижение свойств по основе ТПМ превышает снижение свойств по утку, особенно после экспозиции в тропической камере и камере солевого тумана ‒ на 22 и 44 % соответственно. Для изготовления гибкой оболочки воздуховода ТПМ вырезают под углом 45 градусов, при этом деформация ТПМ возрастает до 250 %. Следовательно, в готовой конструкции воздуховода материал ВРТ-12 будет работать аддитивно (и по основе, и по утку), поэтому такое снижение свойств по основе не окажет ощутимого влияния на свойства конструкции.

Таким образом, результаты исследования свойств материала ВРТ-12 после проведения испытаний, имитирующих влияние различных эксплуатационных факторов, подтверждают высокую стабильность разработанного материала.

Заключения

В рамках общей квалификации проведено исследование комплекса свойств тканепленочного материала марки ВРТ-12, разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ и предназначенного для изготовления герметичной оболочки гибких воздуховодов СКВ летательных аппаратов.

Установлено, что разработанный ТПМ соответствует требованиям АП-25 по горючести и дымообразованию, при его горении токсичные газы выделяются в концентрациях на несколько порядков ниже допустимых по стандарту AITM 3.0005 для самолетов Airbus.

Определено влияние эксплуатационных факторов на свойства тканепленочного материала марки ВРТ-12.

Установлено, что на степень герметичности и прочность разработанного материала не оказали существенного влияния ни имитация теплового старения, ни экспозиция в тропической камере, ни циклические перепады температур от –60 до +80 °C, ни воздействие микологической среды или топлива/масла.

Подтверждена высокая стабильность характеристик разработанного ТПМ марки ВРТ-12 и сохраняемость его свойств при эксплуатационно-климатических испытаниях, а следовательно, перспективность применения для изготовления трубопроводов СКВ летательных аппаратов.